JP4733549B2 - 集合住宅 - Google Patents

Description

本発明は、集合住宅に関し、さらに詳しくは、天然のエネルギーを利用して、既存エネルギーの消費削減効果を高めるとともに、エネルギーを有効活用することができる集合住宅に関するものである。

現在、二酸化炭素の排出量を削減するために、ガス、電気等の既存エネルギーの消費を低減する様々な取り組みがなされ、例えば、マンション等の集合住宅では、基礎杭内部に熱交換パイプを設け、この熱交換パイプ内に流体を循環させて、地中熱を回収し、回収した地中熱を暖房や冷房等の熱源する提案がされている（例えば、特許文献１参照）。また、地中熱に加えて太陽熱で集熱して、両方の熱を蓄熱槽に貯蔵して住宅で利用するシステムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、浴室、台所等から排出される排熱を回収して住宅の給水の加熱に利用する装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

しかしながら、これら従来の提案では、必要とされるエネルギーを十分に補うことができずに、既存エネルギーの消費を削減するには、不十分であるという問題があった。
特開２００３−２４０３５８号公報 特開２００２−８１７６３号公報 特開平５−９９５０１号公報

本発明の目的は、天然のエネルギーを利用して、既存エネルギーの消費削減効果を高めるとともに、エネルギーを有効活用することができる集合住宅を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の集合住宅は、地中に基礎杭を埋設した基盤上に構築された複数階層を有する躯体で構成された集合住宅において、前記基礎杭を二重管にして、該二重管の内管と外管とを下端部で連通し、該内管の内側と外側とで流体を逆方向の流通させる流路を備えた地中循環路を形成し、該地中循環路の中途に配置した地中熱用ヒートポンプと、前記躯体に配設された排水管と下水管との間に排水貯留槽を設け、該排水貯留槽に貯留した排水を循環させる排水循環路を形成し、該排水循環路の中途に配置した排水熱用ヒートポンプと、前記躯体の外側に設置した太陽熱集熱手段とを備え、前記地中熱用ヒートポンプ、前記排水熱用ヒートポンプ、前記太陽熱集熱手段に接続した躯体側熱交換器を設けたことを特徴とするものである。

本発明の集合住宅によれば、地中熱、生活排水の有する排水熱、太陽熱の３つの熱源を集合住宅の内部の温調に利用するので、より多くのエネルギーを得ることができ、既存エネルギーの消費削減効果が大きくなる。熱源が３つとなることで、それぞれの熱源から得られるエネルギーの時期、時間による変化があっても、互いの熱源で補完して安定したエネルギーを得ることができるので、熱源不足を補うために使用する既存エネルギーの消費を、更に抑えることができる。

また、集合住宅であるので、戸建住宅に比べて、まとまった量の生活排水を得ることができ、排水熱から得られるエネルギーが安定し、有効に活用することが可能となる。大規模団地であれば、さらにまとまった量の生活排水を得ることができ、地中熱、排水熱、太陽熱の量が多く、各棟で回収したエネルギー統括的にコントロールすることにより、さらに有効に活用することができる。

以下、本発明の集合住宅を図に示した実施形態に基づいて説明する。図１は実施形態の集合住宅１の全体構成を例示し、図２は基礎杭３の周辺を例示している。

この集合住宅１は、基礎杭３が埋設された基盤１９上に構築されていて、複数階層の鉄筋コンクリート躯体２が基本構造体となっている。躯体２の外側表面には断熱材７が配設され、断熱材７の外側が外壁材８で覆われる外断熱構造となっている。躯体２の内側に断熱材７を配設した内断熱構造とすることもできるが、断熱効果に優れた外断熱構造にすることが好ましい。

基礎杭３は、鋼管である内管３ａと外管３ｂとの二重管となっており、下端部では外管３ｂは閉口し、内管３ａは開口して外管３ｂと内管３ａとが連通している。上端部では外管３ｂは閉口し、内管３ａ上端部は、外管３ｂの周壁を貫通して延びる接続管４ａの一端部と接続している。この接続管４ａは中途にポンプＰ１を備え、地中熱用ヒートポンプ５を通過して、他端部が外管３ｂの周壁を貫通して、その周壁に開口している。

即ち、内管３ａ（内管３ａの内側）、内管３ａと外管３ｂとの間（内管３ａの外側）、接続管４ａとにより、流体Ｗ１が循環する地中循環路４が形成されて、その中途に地中熱用ヒートポンプ５と循環用のポンプＰ１が配置された構造となっている。

基礎杭３は、例えば、長さ３０ｍ程度、外管３ｂの外径６０ｃｍ程度、内管３ａの外径３０ｃｍ程度であり、躯体２の大きさ等に応じて決定される。

地中熱用ヒートポンプ５には、圧縮機５ａと膨張弁５ｂとを備えた冷媒Ｍが循環する冷媒循環路５ｃが備わっている。この冷媒循環路５ｃの上下両側は、螺旋状となっていて、一方側が地中循環路４の接続管４ａと接触し、他方側が躯体側熱交換器１８の循環路１８ａと接触している。

躯体２内部の各戸には、浴室や台所等からの生活排水を流通させる排水管９が配設されている。この排水管９と下水管１７との間に排水Ｗ２を一時的に貯留させる排水貯留槽１０が躯体２の近傍基盤１９に埋設されている。排水貯留槽１０は、貯留した排水Ｗ２の水温の低下を抑えるために、例えば、躯体２の南側となる日の当たる基盤１９に埋設する。
排水貯留槽１０からは上方に向かって、貯留している排水Ｗ２を循環させる排水循環路１１が形成されている。排水循環路１１には、排水循環用のポンプＰ２が備わり、中途には排水熱用ヒートポンプ１２が設置されている。排水熱用ヒートポンプ１２は、地中熱用ヒートポンプ５と同構造である。

躯体２の屋上には、太陽熱集熱パネル１３が設置されている。太陽熱集熱パネル１３には、内部に流路が配設され、この流路にポンプＰ３を備えた接続管１４ａが接続して集熱部循環路１４が形成されている。太陽熱集熱パネル１３は、屋上に限らず、長時間強い日照が得られる場所に設置するようにする。

この躯体２の内部を暖房する場合について説明する。まず、地中熱の利用については以下のようになる。地中循環路４のポンプＰ１を稼動して、基礎杭３の内管３ａと外管３ｂの間を流体Ｗ１が流下すると、この流体Ｗ１が冬でも比較的暖かい地中の地中熱を回収し、加温された流体Ｗ１が内管３ａの内側を上方に流通し、接続管４ａを流通して地中熱用ヒートポンプ５を通過する。地中熱用ヒートポンプ５の循環路５ｃと接続管４ａとの接触部では、熱交換が行なわれ、流体Ｗ１が回収した地中熱が冷媒Ｍを加温する。熱交換により排熱した流体Ｗ１は再び、接続管４ａを介して内管３ａと外管３ｂの間を流下して循環する。

吸熱により加温された冷媒Ｍは、冷媒循環路５ｃの圧縮機５ａによって圧縮されて、更に高温となる。次いで、冷媒循環路５ｃと躯体側熱交換器１８の循環路１８ａとの接触部では、熱交換が行なわれて、高温になった冷媒Ｍの熱が躯体２の内部の暖房に利用される。躯体側熱交換器１８としては、エアコンや床暖房装置等が用いられる。

熱交換により排熱した冷媒Ｍは、冷媒循環路５ｃの膨張弁５ｂの操作により減圧されて低温になり、再び接続管４ａとの接触部で吸熱、加温されて循環する。

冷房する場合は、地中熱用ヒートポンプ５での冷媒Ｍの循環方向が反対となる。冷媒循環路５ｃの圧縮機５ａで圧縮されたて高温となった冷媒Ｍは、接続管４ａとの接触部で熱交換により排熱する。排熱して温度が下がった冷媒Ｍは、膨張弁５ｂの操作により減圧されて、更に低温となる。次いで、冷媒循環路５ｃと躯体側熱交換器１８の循環路１８ａとの接触部では、熱交換が行なわれて、低温になった冷媒Ｍの冷熱が躯体２の内部の冷房に利用される。

熱交換により吸熱して水温が上がった流体Ｗ１は、接続管４ａを介して内管３ａと外管３ｂの間を流下して地中に放熱し、再び循環する。

排水熱の利用については以下のようになる。尚、排水熱用ヒートポンプ１２は、地中熱用ヒートポンプ５と同じ構造なので重複する説明は省略する。排水循環路１１のポンプＰ２を稼動して、貯留している比較的暖かい排水Ｗ２を汲み上げて排水循環路１１を循環させる。排水熱用ヒートポンプ１２を通過する際に熱交換により、排水Ｗ２は排熱し、排水熱用ヒートポンプ１２の冷媒Ｍは加温される。この冷媒Ｍは、圧縮されて更に高温になり、この高温になった冷媒Ｍの熱が、躯体側熱変換器１８の循環路を介して躯体２の内部の暖房に利用される。排熱して温度が下がった排水Ｗ２は、排水循環路１１を経て再度、排水貯水槽１０に貯留されて循環する。

排水貯留槽１０には、逐次、排水管９から新たな排水Ｗ２が流入するので、所定の貯留量になると図示しないドレン弁や排出ポンプの作動により、貯留している排水Ｗ２が下水管１７に排出される。一時的に貯留する排水Ｗ２の量は、例えば、集合住宅１の１日分の排水量とする。貯留量が多すぎると、衛生的に好ましくなく、貯留量が少ないと安定した排水熱を得られなくなる。したがって、この貯留量の容積を有する適切なサイズを採用する。

太陽熱の利用については以下のようになる。集熱部循環路１４のポンプＰ３を稼動させて太陽熱集熱パネル１３の内部で太陽熱を回収して加温された流体Ｗ３を循環させる。この集熱部循環路１４を躯体２の内部に配設すると、その集熱部循環路１４の一部がそのまま躯体側熱交換器１８として機能して、加温された流体Ｗ３の熱を暖房に直接利用することができる。集熱部循環路１４の中途に太陽熱用ヒートポンプを設け、太陽熱用ヒートポンプに躯体側熱交換器１８を接続して、太陽熱用ヒートポンプを用いて回収した太陽熱を躯体２内部の温調に利用してもよい。

尚、躯体側熱交換器１８は、図１に示すように別個に設けずに共通化することもできる。

以上のように、本発明では天然エネルギーの地中熱、太陽熱と、利用されずに無駄にされていた排水熱との３つの熱源により、躯体２内部の温調を行なうので、より多くのエネルギーを得ることができ、電気、ガス等の既存エネルギーの消費を大幅に削減することが可能となる。

また、熱源が３つあるので、それぞれの熱源から得られるエネルギーの時期、時間による変化を互いの熱源で補完して、エネルギー供給の安定性を高めることができる。これにより、熱源不足となる状態（時間）を極力減らすことができ、熱源不足を補うために使用する既存エネルギーの消費を従来に比べて抑えることができる。

生活排水は、多戸数の集合住宅１であるので、戸建住宅に比べて、まとまった量を確保することができる。したがって、排水熱から得られるエネルギーを無駄に安定して有効に活用することができる。集合住宅１は、例えば、１０階〜１５階建て程度で５０〜８０戸程度の規模とすることができる。

図３に排水循環路１１およびその周辺の変形例を示す。図１の排水循環路１１は、構造が簡素であるという利点があるが、排水熱用ヒートポンプ１２により熱交換されて、低温になった排水Ｗ２が繰り返し排水貯留槽１０に還流することにより、貯留している排水Ｗ２の水温が低下する。

ここでは、排水循環路１１の排水熱用ヒートポンプ１２よりも下流側に第１切換弁１５を設け、排水熱用ヒートポンプ１２と第１切換弁１５との間には、第１水温計１１ａが設置されている。また、第１切換弁１５と下水管１７とを接続する第１排水バイパス路１６が設置されている。排水貯留槽１０には、第２水温計１０ａが設置され、制御装置６が第１切換弁１５、第１水温計１１ａ、第２水温計１０ａと接続されている。第１水温計１１ａおよび第２水温計１０ａによる検知温度データは制御装置６に入力され、第１切換弁１５の切換操作は制御装置６により制御される。

この構成では、排水熱用ヒートポンプ１２で熱交換されて低温となった排水Ｗ２の水温が第１水温計１１ａで検知され、排水貯留槽１０に貯留している排水Ｗ２の水温が第２水温計１０ａで検知される。両水温計１０ａ、１１ａの検知した温度差が、予め設定した温度差以上となった際には、第１切換弁１５の切換により、低温となった排水Ｗ２を第１排水パイバス路１６にバイパスさせる。これにより、貯留されている排水Ｗ２の温度低下を防止し、排水熱の損失を減らすことができる。

第２水温計１０ａを省略することもできる。この場合は、第１水温計１１ａで検知した排水Ｗ２の水温が、予め設定した水度以下となった際に、制御装置６により第１切換弁１５が切換されて、低温となった排水Ｗ２を第１排水パイバス路１６にパイパスさせる。これにより、貯留されている排水熱の損失を減らすことができる。

図４に他の変形例を示す。尚、図４は説明を明確にするため、排水熱用ヒートポンプ１２や排水循環路１１等を省略している。図示するように、排水管９の排水貯留槽１０側端部よりもやや上流位置に第２切換弁９ａを設けるとともに、第２切換弁９ａの上流側に第３水温計９ｂを設け、第２切換弁９ａと下水管１７とを接続する第２排水バイパス路１６ａを形成する。この構成では、第３水温計９ｂで検知した排水管９からの排水Ｗ２の水温が、予め設定した水温以下の際には、第２切換弁９ａを制御装置６により切換えて、低温の排水Ｗ２を第２排水バイパス路１６ａにバイパスさせる。このように、排水Ｗ２を選択的に貯留させることにより、所定温度以下の低温の排水Ｗ２を初めから排水貯留槽１０に貯留させないようにして、排水貯留槽１０の排水Ｗ２を比較的高温に保ち、排水熱の損失を減らすことができる。

本発明を図５に示す平気気温となる寒冷地に立地する鉄筋コンクリート地上１３階建て、４８戸の集合住宅（マンション）に適用した際にその効果を、所定の仮定の下で試算し、その結果を図４に示した。

試算条件は以下の通りである。マンションは所定の断熱性を有し、暖房面積が約３５００ｍ^２、基礎杭は深さ３０ｍ、外管外径６０ｃｍ、内管外径３０ｃｍ、埋設本数３０本とした。排水については利用できる適切なデータを利用した。太陽熱集熱パネルは、設置面積１６８ｍ^２であり、集熱量は利用できる適切なデータを用した。その他のデータについても、利用できる限り適切なものを採用した。

図５に示すように、このマンションの年間暖房負荷は、躯体が外断熱構造の場合は約３５０ＭＷｈ、内断熱構造の場合は約４００ＭＷｈとなる。

地中熱により得られる年間熱量は約７０ＭＷｈ、排水熱により得られる年間熱量は約１００ＭＷｈ、太陽熱により得られる年間熱量は約４０ＭＷｈとなる。これにより、３つの熱源により得られる年間熱量は約２１０ＭＷｈとなり、年間暖房負荷の約６０％が得られることが分かる。

本発明の集合住宅の全体構成を例示する説明図である。 図１の基礎杭の構造およびその周辺を示す縦断面図である。 図１の排水用循環路およびその周辺の変形例を示す説明図である。 図１の排水管およびその周辺の変形例を示す説明図である。 本発明のエネルギー削減効果を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 集合住宅
２ 躯体
３ 基礎杭 ３ａ 内管 ３ｂ 外管
４ 地中循環路 ４ａ 接続管
５ 地中熱用ヒートポンプ
５ａ 圧縮機 ５ｂ 膨張弁 ５ｃ 冷媒循環路
６ 制御装置
７ 断熱材
８ 外壁材
９ 排水管 ９ａ 第２切換弁 ９ｂ 第３水温計
１０ 排水貯水槽 １０ａ 第２水温計
１１ 排水循環路 １１ａ 第１水温計
１２ 排水熱用ヒートポンプ
５ａ 圧縮機 ５ｂ 膨張弁 ５ｃ 冷媒循環路
１３ 太陽熱集熱パネル
１４ 集熱部循環路 １４ａ 接続管
１５ 第１切換弁
１６ 第１排水バイパス路 １６ａ 第２排水バイパス路
１７ 下水管
１８ 躯体側熱交換器 １８ａ 循環路
１９ 基盤

Claims (4)

1. 地中に基礎杭を埋設した基盤上に構築された複数階層を有する躯体で構成された集合住宅で、
   前記基礎杭を二重管にして、該二重管の内管と外管とを下端部で連通し、該内管の内側と外側とで流体を逆方向の流通させる流路を備えた地中循環路を形成し、該地中循環路の中途に配置した地中熱用ヒートポンプと、前記躯体に配設された排水管と下水管との間に排水貯留槽を設け、該排水貯留槽に貯留した排水を循環させる排水循環路を形成し、該排水循環路の中途に配置した排水熱用ヒートポンプと、前記躯体の外側に設置した太陽熱集熱手段とを備え、前記地中熱用ヒートポンプ、前記排水熱用ヒートポンプ、前記太陽熱集熱手段に接続した躯体側熱交換器を設けた集合住宅において、
   前記排水循環路の前記排水熱用ヒートポンプよりも下流側に切換弁を設けるとともに、前記排水用ヒートポンプと前記切換弁との間に循環する排水の水温を検知する第１水温計を設け、前記切換弁と前記下水管とを接続する排水バイパス路を設け、前記第１水温計の検知水温データが入力され、前記切換弁の切換操作を制御する制御装置を設け、
   前記第１水温計で検知した排水の温度が、予め設定した温度以下となった際に、前記制御装置により前記切換弁を切換え、前記排水熱用ヒートポンプと前記排水バイパス路を連通する制御を行うことを特徴とする集合住宅。
2. 地中に基礎杭を埋設した基盤上に構築された複数階層を有する躯体で構成された集合住宅で、
   前記基礎杭を二重管にして、該二重管の内管と外管とを下端部で連通し、該内管の内側と外側とで流体を逆方向の流通させる流路を備えた地中循環路を形成し、該地中循環路の中途に配置した地中熱用ヒートポンプと、前記躯体に配設された排水管と下水管との間に排水貯留槽を設け、該排水貯留槽に貯留した排水を循環させる排水循環路を形成し、該排水循環路の中途に配置した排水熱用ヒートポンプと、前記躯体の外側に設置した太陽熱集熱手段とを備え、前記地中熱用ヒートポンプ、前記排水熱用ヒートポンプ、前記太陽熱集熱手段に接続した躯体側熱交換器を設けた集合住宅において、
   前記排水循環路の前記排水熱用ヒートポンプよりも下流側に切換弁を設けるとともに、前記排水用ヒートポンプと前記切換弁との間に循環する排水の水温を検知する第１水温計を設け、前記切換弁と前記下水管とを接続する排水バイパス路を設け、前記第１水温計の検知水温データが入力され、前記切換弁の切換操作を制御する制御装置を設け、
   前記排水貯留槽に貯留している排水の水温を検知する第２水温計を設け、
   前記第１水温計で検知した排水の温度が、前記第２水温計で検知した排水の温度に比べて、予め設定した温度差よりも低くなった際に、前記制御装置により前記切換弁を切換え、前記排水用ヒートポンプと前記排水バイパス路を連通する制御を行うことを特徴とする集合住宅。
3. 地中に基礎杭を埋設した基盤上に構築された複数階層を有する躯体で構成された集合住宅で、
   前記基礎杭を二重管にして、該二重管の内管と外管とを下端部で連通し、該内管の内側と外側とで流体を逆方向の流通させる流路を備えた地中循環路を形成し、該地中循環路の中途に配置した地中熱用ヒートポンプと、前記躯体に配設された排水管と下水管との間に排水貯留槽を設け、該排水貯留槽に貯留した排水を循環させる排水循環路を形成し、該排水循環路の中途に配置した排水熱用ヒートポンプと、前記躯体の外側に設置した太陽熱集熱手段とを備え、前記地中熱用ヒートポンプ、前記排水熱用ヒートポンプ、前記太陽熱集熱手段に接続した躯体側熱交換器を設けた集合住宅において、
   前記排水管に切換弁を設けるとともに、前記切換弁の上流を流れる排水の水温を検知する水温計を設け、前記切換弁と前記下水管とを接続する排水バイパス路を設け、前記水温計の検知水温データが入力され、前記切換弁の切換操作を制御する制御装置を設け、
   前記水温計で検知した排水の温度が、予め設定した温度以下となった際に、前記制御装置により前記切換弁を切換え、前記排水管と前記排水バイパス路を連通する制御を行うことを特徴とする集合住宅。
4. 前記躯体の外側に断熱材を配設して断熱構造とする請求項１〜３のいずれかに記載の集合住宅。